文档介绍：第二十八届(2012)全国直升机年会论文
无轴承旋翼直升机地面共振稳定性分析
钱峰朱艳凌爱民
(中国直升机设计研究所直升机旋翼动力学重点实验室, 景德镇, 333001)
摘要: 本文通过模态综合技术建立了无轴承旋翼地面共振稳定性分析模型。以无轴承模型旋翼装四米模型试验台为研究对象,依据试验台动力学特性试验数据和模型旋翼设计数据,进行了地面共振分析。研究了一些设计因数对地面共振的影响,研究结果表明:安装减摆器,提高其阻尼效率,提高台体阻尼,增加升力,都有利于消除无轴承旋翼地面共振不稳定性。
关键词:无轴承模型旋翼;地面共振;稳定性
1 前言
无轴承旋翼采用了简单的复合材料柔性梁元件代替传统的水平铰、垂直铰和变矩铰。柔性梁一方面连接桨叶和桨毂,承受桨叶全部离心力和几乎所有的飞行载荷,同时承受桨叶的挥舞、摆振和扭转变距运动,所以结构简单,零件数目少,可靠性高、维护简单,许多先进直升机均采用无轴承旋翼构型,如EC135等。但是用柔性梁代替传统的三个铰,使得无轴承旋翼存在很强的弹性耦合和运动耦合,其旋翼与机体的耦合动力稳定性问题比铰接式旋翼的更复杂、更突出,所以需对无轴承旋翼机体耦合动力稳定性进行研究。
对于无轴承旋翼与机体耦合动力稳定性问题,国外已经开展了大量的分析和试验研究[1-3],对影响稳定性的各种因素进行了分析,给出了大量的分析和模型试验结果。国内[4]也已经陆续开展无轴承旋翼直升机气动机械稳定性设计分析研究。
任何新研旋翼系统都需要大量地分析与试验,当今的新旋翼系统为了追求高性能、高可靠性及高维修性,往往采用新的结构形式、先进翼型等,为此在全尺寸验证之前,进行缩比模型旋翼验证是非常有必要的。
本文建立无轴承模型旋翼稳定性分析模型,以602所四米模型试验台为“地面共振”验证平台,依据无轴承模型旋翼设计参数和试验台参数对无轴承模型旋翼地面共振稳定性进行了计算[5],分析了地面共振稳定性对一些主要参数的敏感性,提出了相应设计建议。
2 综合建模方法
旋翼与机体耦合动力学分析建模包括对旋翼和机体进行结构动力学建模、气动力建模和模态综合。该动力系统是由多个结构体装配而成,要在同一惯性坐标中独立地描述结构的运动是非常困难的,也是不直观的,因此,采用分别建模方法建立旋翼、机体的结构动力学模型。首先,分别建立孤立旋翼桨叶、机体结构的结构动力学有限元模型;它们是整个分析模型的子结构动力学模型,根据所关心模态阶数及范围,从子结构模态中选取一些低阶模态进行综合,然后应用模态综合技术建立旋翼与机体耦合模态分析模型。
机体模型
假设直升机机体为刚体,仅考虑起落架对机体运动的约束,其约束刚度和阻尼假设在平衡位置的小幅范围内是线性的。考虑机体重心处的六个刚体运动自由度:Xf、Yf、Zf、ΦXf、ΦYf、和Φ
Zf,由机体模型计算机体在起落架上振动特性,如模态参数:模态质量、阻尼和刚度及振型,根据振型,把机体振动模态参数变换成桨毂中心处的有效量(有效质量、有效阻尼和有效刚度),也可将空间机体动力学模型变换成平面动力学模型,使其与桨毂中心动特性试验模型一致。图1定义了机体、桨毂和桨叶坐标系统。图1中{ XH , YH , ZH }是旋翼桨毂坐标系,用于描述安装在机体{ Xf , Yf , Zf }坐标处的旋翼的运动,其坐标原点在桨毂中心,坐标